Математическое моделирование процесса сушки древесного биотоплива
|
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 12
1.1. Биомасса, виды, достоинства и недостатки 12
1.2. Состав и энергетическая ценность, данные о биомассе 14
1.3. Биоэнергетика, современное состояние 18
1.4. Обзор и оценка потенциала лесов томской области 21
1.5. Теоретические сведения о сушильном процессе 22
1.6. Математическое моделирование процесса сушки древесины 28
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 40
3.1. Физическая постановка задачи 41
3.2. Геометрия области решения 45
3.3. Математическая постановка задачи 50
3.4. Оценка достоверности результатов численного моделирования 54
3.4.1. Расчет нестационарной теплопроводности стержня в одномерном
режиме 55
3.4.2. Расчет нестационарной теплопроводности пластины в двумерном
режиме 60
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 66
4.1. Результаты численного решения 66
ГЛАВА 5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 74
5.1. Оценка перспективности проведения научного исследования 74
5.2. План работ 77
5.3 Расчет сметы затрат на исследование 78
5.4 Оценка научно-технической результативности научноисследовательской работы 79
ГЛАВА 6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 82
6.1. Профессиональная социальная безопасность 83
6.1.1. Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при эксплуатации исследуемого объекта 86
6.1.2. Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований 87
6.1.3. Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов 88
6.2. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 90
6.2.1. Анализ вероятных ЧС, которые могут при проведении
исследований 91
6.2.2. Пожарная безопасность 92
6.3. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 94
6.3.1. Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые нормы трудового законодательства 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ А 109
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 12
1.1. Биомасса, виды, достоинства и недостатки 12
1.2. Состав и энергетическая ценность, данные о биомассе 14
1.3. Биоэнергетика, современное состояние 18
1.4. Обзор и оценка потенциала лесов томской области 21
1.5. Теоретические сведения о сушильном процессе 22
1.6. Математическое моделирование процесса сушки древесины 28
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 40
3.1. Физическая постановка задачи 41
3.2. Геометрия области решения 45
3.3. Математическая постановка задачи 50
3.4. Оценка достоверности результатов численного моделирования 54
3.4.1. Расчет нестационарной теплопроводности стержня в одномерном
режиме 55
3.4.2. Расчет нестационарной теплопроводности пластины в двумерном
режиме 60
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 66
4.1. Результаты численного решения 66
ГЛАВА 5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 74
5.1. Оценка перспективности проведения научного исследования 74
5.2. План работ 77
5.3 Расчет сметы затрат на исследование 78
5.4 Оценка научно-технической результативности научноисследовательской работы 79
ГЛАВА 6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 82
6.1. Профессиональная социальная безопасность 83
6.1.1. Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при эксплуатации исследуемого объекта 86
6.1.2. Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований 87
6.1.3. Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов 88
6.2. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 90
6.2.1. Анализ вероятных ЧС, которые могут при проведении
исследований 91
6.2.2. Пожарная безопасность 92
6.3. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 94
6.3.1. Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые нормы трудового законодательства 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ А 109
Объектом исследования является - лиственная и хвойная биомасса.
Цель работы - теоретическое исследование влияния теплофизических свойств материалов растительного происхождения на процесс сушки и анализ процесса тепломассопереноса при сушке влажной древесины различного типа.
В процессе исследования сформулирована математическая модель процесса сушки влажной древесины.
В результате исследования получены результаты изменения массовой скорости испарения для лиственных и хвойных пород, а также проведен расчет коэффициента аккомодации. Получены зависимости массовой скорости испарения от времени сушки при различных начальных параметрах и характеристиках древесины и зависимости коэффициента аккомодации от массовой скорости испарения.
Основные технологические характеристики: программная реализация математической модели процесса сушки древесной биомассы выполнена в системе MATLAB.
Область применения: полученные результаты могут быть применены при разработке теоретических основ, которые станут базой для государственных и отраслевых стандартов при проведении НИОКР по разработке сушильных агрегатов древесной биомассы.
Экономическая эффективность/значимость работы: c помощью математического моделирования процессов тепло - и массопереноса при сушке влажной древесины возможно без привлечения экспериментов повысить точность расчета и реализовать потенциал энергосбережения при сохранении качества высушенного изделия.
Сушка - это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла [1]. Целью сушки является улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования.
Переход на современные технологии использования биотоплива в России позволит снизить экологический ущерб, повысить надежность теплоснабжения, прежде всего, в лесных районах страны. В развитии рынка биотоплива заинтересованы собственники леса, производители биотоплива, энергетики и государство [2]. У древесины есть серьезный недостаток - повышенная влажность. В результате сушки древесный материал из природного сырья превращается в промышленный материал, который отвечает разнообразным требованиям, предъявляемые к нему в различных производственных и бытовых условиях. При снижении влажности древесины улучшаются ее физико-механические и эксплуатационные свойства [3].
Актуальность работы
Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки. Развитие биоэнергетики в России является весьма актуальной задачей, так как имеющийся ресурсный потенциал биомассы России практически неисчерпаем.
Одной из проблем использования биомассы в качестве топлива является сушка. Ее эффективность во многом определяется возможностью оперативного управления процессом. Одним из результативных методов поиска путей повышения эффективности процесса влагоудаления является математическое моделирование [3]. Данный метод позволяет учесть
наибольшее количество факторов и явлений, которые влияют на реальное протекание процесса сушки.
Данная проблема актуальна, так как для современной науки и техники нужен точный прогноз процессов тепло - и массопереноса, экспериментальные исследования которых, очень дорогостоящие и сложные, а иногда и попросту неосуществимы. С помощью математического моделирования без привлечения экспериментов возможно повысить точность расчета и реализовать потенциал энергосбережения при сохранении качества высушенного изделия [4].
Цель работы: теоретическое исследование влияния теплофизических свойств материалов растительного происхождения на процесс сушки и анализ процесса тепломассопереноса при сушке влажной древесины различного типа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ современных литературных источников по теме диссертации;
3. Формулировка математической моделей процесса сушки древесной биомассы;
4. Оценка достоверности теоретических результатов;
5. Осуществление численного рассчета в системе MATLAB;
6. Анализ результатов;
7. Формулировка выводов по результатам численного исследования.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке физической теории и обеспечивающей её математической базы, позволяющей моделировать процессы тепло и массопереноса протекающих в условиях интенсивных фазовых превращениях при конвективнорадиационной сушке влажной древесины. Последнее, будет способствовать разработке теоретических основ, которые станут базой для государственных и отраслевых стандартов при проведении НИОКР (научноисследовательские и опытно конструкторские работы) при разработке сушильных агрегатов древесной биомассы. Также проведенные расчеты дают возможность применения сформулированной математической модели для выбора эффективных режимов сушки древесины.
Цель работы - теоретическое исследование влияния теплофизических свойств материалов растительного происхождения на процесс сушки и анализ процесса тепломассопереноса при сушке влажной древесины различного типа.
В процессе исследования сформулирована математическая модель процесса сушки влажной древесины.
В результате исследования получены результаты изменения массовой скорости испарения для лиственных и хвойных пород, а также проведен расчет коэффициента аккомодации. Получены зависимости массовой скорости испарения от времени сушки при различных начальных параметрах и характеристиках древесины и зависимости коэффициента аккомодации от массовой скорости испарения.
Основные технологические характеристики: программная реализация математической модели процесса сушки древесной биомассы выполнена в системе MATLAB.
Область применения: полученные результаты могут быть применены при разработке теоретических основ, которые станут базой для государственных и отраслевых стандартов при проведении НИОКР по разработке сушильных агрегатов древесной биомассы.
Экономическая эффективность/значимость работы: c помощью математического моделирования процессов тепло - и массопереноса при сушке влажной древесины возможно без привлечения экспериментов повысить точность расчета и реализовать потенциал энергосбережения при сохранении качества высушенного изделия.
Сушка - это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла [1]. Целью сушки является улучшение качества материала (снижение его объемной массы, повышение прочности) и, в связи с этим, увеличение возможностей его использования.
Переход на современные технологии использования биотоплива в России позволит снизить экологический ущерб, повысить надежность теплоснабжения, прежде всего, в лесных районах страны. В развитии рынка биотоплива заинтересованы собственники леса, производители биотоплива, энергетики и государство [2]. У древесины есть серьезный недостаток - повышенная влажность. В результате сушки древесный материал из природного сырья превращается в промышленный материал, который отвечает разнообразным требованиям, предъявляемые к нему в различных производственных и бытовых условиях. При снижении влажности древесины улучшаются ее физико-механические и эксплуатационные свойства [3].
Актуальность работы
Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки. Развитие биоэнергетики в России является весьма актуальной задачей, так как имеющийся ресурсный потенциал биомассы России практически неисчерпаем.
Одной из проблем использования биомассы в качестве топлива является сушка. Ее эффективность во многом определяется возможностью оперативного управления процессом. Одним из результативных методов поиска путей повышения эффективности процесса влагоудаления является математическое моделирование [3]. Данный метод позволяет учесть
наибольшее количество факторов и явлений, которые влияют на реальное протекание процесса сушки.
Данная проблема актуальна, так как для современной науки и техники нужен точный прогноз процессов тепло - и массопереноса, экспериментальные исследования которых, очень дорогостоящие и сложные, а иногда и попросту неосуществимы. С помощью математического моделирования без привлечения экспериментов возможно повысить точность расчета и реализовать потенциал энергосбережения при сохранении качества высушенного изделия [4].
Цель работы: теоретическое исследование влияния теплофизических свойств материалов растительного происхождения на процесс сушки и анализ процесса тепломассопереноса при сушке влажной древесины различного типа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ современных литературных источников по теме диссертации;
3. Формулировка математической моделей процесса сушки древесной биомассы;
4. Оценка достоверности теоретических результатов;
5. Осуществление численного рассчета в системе MATLAB;
6. Анализ результатов;
7. Формулировка выводов по результатам численного исследования.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке физической теории и обеспечивающей её математической базы, позволяющей моделировать процессы тепло и массопереноса протекающих в условиях интенсивных фазовых превращениях при конвективнорадиационной сушке влажной древесины. Последнее, будет способствовать разработке теоретических основ, которые станут базой для государственных и отраслевых стандартов при проведении НИОКР (научноисследовательские и опытно конструкторские работы) при разработке сушильных агрегатов древесной биомассы. Также проведенные расчеты дают возможность применения сформулированной математической модели для выбора эффективных режимов сушки древесины.
Определены этапы и трудоемкость работы, составлен линейный график работ на основе рассчитанного для инженера и научного руководителя времени 7КД. Рассчитана смета затрат на научное исследование, таким образом, расходы на научно-исследовательскую работу составили C = 225099 руб. В результате проведения математического моделирования, был сделан вывод, при наиболее высоких температурах снижается время сушки и влага испаряется из биомассы быстрей это позволит улучшить качество биомассы для дальнейшей эксплуатации. Следовательно, затраты на научное исследование будут оправданы.
В ходе оценки научной результативности НИР был получен коэффициент научной результативности Кнр=0,86, а также был рассчитан коэффициент научно - технической результативности Кнтр=0,52, что показывает высокую результативность проведенной научноисследовательской работы.
В ходе оценки научной результативности НИР был получен коэффициент научной результативности Кнр=0,86, а также был рассчитан коэффициент научно - технической результативности Кнтр=0,52, что показывает высокую результативность проведенной научноисследовательской работы.